유리 기판에 제작한 비정질 InGaZnO 박막트랜지스터의 고전압에서의 동작 특성에 관한 연구 = Electrical characteristics of high voltage amorphous InGaZnO thin film transistors fabricated on glass substrates

국문 초록 (Abstract)

Amorphous indium gallium zinc oxide(a-IGZO)는 대표적인 산화물 반도체로써, 좋은 균일성을 가지므로 대면적 공정에 적합하고, 10 cm2/V·sec 이상의 비교적 높은 이동도, 낮은 leakage current, 안정성을 가져 haptic display에 사용하기 적합하다. 그러나 high voltage TFT(Thin Film Transistor)를 이용한 마찰감의 증가에 대한 haptic display에 대한 연구가 진행된 바가 없다. 따라서 사람이 충분히 분별 가능한 정도의 마찰감의 증대를 위해 요구되는 전압과 주파수 등의 전기적인 조건에 대한 연구가 부족한 실정이다. 이러한 현실을 반영하여 본 논문에서는 glass 기판 위에 형성된 a-IGZO를 이용한 고전압에서 동작가능한 TFT 공정 조건을 연구했다. 제작한 소자의 전기적 특성을 분석하고, 향후 haptic display에 다수의 HVTFT를 array형태로 활용하고자 한다. 특히, 대부분의 HVTFT 연구에서는 field enhancement를 줄이기 위해, 동심원 구조를 가지는 전극을 이용했으나, 다수의 array로 구성할 때, 배선의 공정상 문제점과, 배선 간 고전압 간섭 문제가 발생하기 때문에, 궁극적으로 다수의 array로 TFT를 구성하여 haptic 소자를 구현하고자 하는 본 연구에서는 사용하지 않았다. Drain과 gate간에 offset을 가지는 offset 구조를 사용하고, 절연체인 glass substrate에 TFT를 제작함으로써 breakdown voltage를 높일 수 있었다. 또한, 절연체인 glass 기판에 제작한 소자의 전기적 특성이 전극과 기판과의 parasitic capacitance의 감소로 인해 Si 기판에 제작한 소자의 전기적 특성보다 우수한 것을 확인했다. 결과적으로 1,000 V 이상의 drain bias에서도 동작 가능한 소자를 제작할 수 있었으며, function generator에서 생성한 수백 Hz이상의 파형을 amplifier로 증폭시켜 gate로 인가하고, switching 특성에 따른 출력 단에서의 파형을 gate 전압으로 제어함으로써, 사람이 체험 가능한 자극을 구현해낼 수 있을 것으로 기대된다. 향후 haptic display에 적용시키기 위해, 더 높은 전압에서 견디고, 더 높은 on/off ratio를 가지는 소자를 구현하기 위한 연구와, AC signal 입력에 따른 출력 파형 특성에 대한 연구가 추가로 필요하다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Amorphous indium gallium zinc oxide (a-IGZO) is a representative oxide semiconductor, which is suitable for large-area processes because of its good uniformity, and is suitable for use in haptic displays due to its relatively high mobility, low leakage current, and stability of 10 cm2/V·sec or more. However, no research has been conducted on haptic display on the increase in friction using high voltage TFT(Thin Film Transistor). Therefore, there is a lack of research on electrical conditions such as voltage and frequency required to increase the degree of friction sufficiently discernible by humans. Reflecting this reality, this paper studied the TFT process conditions that can operate at high voltages using a-IGZO fabricated on a glass substrate. The electrical characteristics of the fabricated devices will be analyzed, and a number of HVTFTs will be used in array form for haptic displays in the future. In particular, most HVTFT studies used electrodes having a concentric structure to reduce field enhancement, but when configured of a plurality of arrays, problems in the process of wiring and high voltage interference between wirings occur, and thus did not use this study to ultimately configure a haptic device. The breakdown voltage could be increased by using an offset structure having an offset between the drain and the gate and fabricating a TFT on a glass substrate, which is an insulator. In addition, it was confirmed that the electrical characteristics of the device fabricated on the glass substrate, which is an insulator, are superior to those of the device fabricated on the Si substrate due to the decrease in the parasitic capacitance between the electrode and the substrate. As a result, it was possible to manufacture an operable device even in a drain bias of 1,000 V or more. It is expected that human experience can be achieved by amplifying waveforms of hundreds of Hz or more generated by Function Generator as gate and controlling waveforms at output levels corresponding to switching characteristics by gate voltage. In order to be applied to haptic display in the future, it is necessary to study to fabricate a device that withstands higher voltage and has a higher on/off ratio, and further research on output waveform characteristics according to AC signal input is needed.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장. 서 론 1
• 1.1. High voltage TFT 소개 및 적용분야 1
• 1.2. High voltage TFT의 연구동향 3
• 1.3. 본 연구에서 해결하고자 하는 바 6
• 참 고 문 헌 7
• 제 2장. 이론적 배경 13
• 2.1. 산화물 반도체 13
• 2.1.1. 산화물의 전자구조 13
• 2.1.2. 산화물 반도체의 전기적 특성 15
• 2.1.3. 산화물 반도체의 광학적 특성 21
• 2.2. High voltage TFT로써의 IGZO 22
• 2.2.1. 비정질 InGaZnO 산화물 반도체의 연구 동향 22
• 2.2.2 비정질 InGaZnO 산화물 반도체의 화학적 조성 24
• 2.2.3 비정질 InGaZnO 산화물 반도체의 전도 특성 28
• 참 고 문 헌 30
• 제 3장. HVTFT 소자 제작 및 전기적 특성 평가 35
• 3.1. HVTFT 소자 제작 35
• 3.1.1. 기판 준비 35
• 3.1.1.1. Si 기판 35
• 3.1.1.2. Glass 기판 37
• 3.1.2. Buffer layer 증착 38
• 3.1.3. Channel 증착 39
• 3.1.4. Source/Drain 증착 42
• 3.1.5. Furnace 열처리 44
• 3.1.6. Insulator 증착 46
• 3.1.7. Top gate 증착 47
• 3.1.8. Contact via 형성 49
• 3.1.9. Source/Drain pad 증착 51
• 3.2. HVTFT 소자의 전기적 특성 평가 52
• 3.2.1. B1500A와 B1505A 52
• 3.2.2. 전기적 특성 parameter 추출 방법 54
• 제 4장. 결과 및 분석 56
• 4.1. HVTFT의 전기적 특성 56
• 4.1.1. 큰 Width를 가지는 HVTFT의 전기적 특성 56
• 4.1.2. 작은 Width를 가지는 HVTFT의 전기적 특성 57
• 4.1.3. Offset length 방식에 따른 HVTFT의 전기적 특성 분석 58
• 4.1.3.1. Source와 drain 간격이 줄어듦에 따라 offset length가 감소할 경우 58
• 4.1.3.2. Gate length가 증가함에 따라 offset length가 감소할 경우 62
• 4.1.4. HVTFT의 고전압 동작 특성 63
• 4.1.4.1. HVTFT의 output characteristics 63
• 4.1.4.2. HVTFT의 transfer characteristics 64
• 4.1.4.3. HVTFT의 breakdown voltage 68
• 참 고 문 헌 69
• 제 5장. 결론 및 향후과제 70
• 영문요지 71